陳佳慧，梅 濤，趙青華，尤海寧，王雯雯，王 棟

(1.武漢紡織大學(xué) 紡織纖維及制品教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430200；2.武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430200)

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)生活舒適性要求越來越高，其中包括人體自身的熱濕舒適性[1]。人體能感知的熱濕舒適范圍較窄，為調(diào)節(jié)自身舒適度，通常靠人體系統(tǒng)代謝、增減衣物、外界供暖或制冷3種方法調(diào)控。當(dāng)僅靠自身系統(tǒng)代謝時(shí)，環(huán)境溫度過高或過低會(huì)導(dǎo)致人體無法正常調(diào)節(jié)體溫，造成生理傷害甚至死亡[2-3]，因此，為滿足現(xiàn)代社會(huì)人們對(duì)周圍溫度和濕度舒適性的要求，環(huán)境溫濕度調(diào)控設(shè)備隨處可見，且成為室內(nèi)建筑的重要指標(biāo)[4]。通過外部設(shè)備控制環(huán)境溫濕度需要消耗大量的電能，據(jù)統(tǒng)計(jì)每年建筑內(nèi)的制冷和供暖耗能占全球電能消耗的20%～40%，溫室氣體排放占全球排放的30%[5-6]。電能的過度消耗及溫室氣體的排放對(duì)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展造成了巨大負(fù)擔(dān)。同時(shí)，當(dāng)今社會(huì)人口的高速發(fā)展和化石能源的日益匱乏已成為制約全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，空調(diào)制冷與供暖中造成的能源消耗的激增與實(shí)現(xiàn)全球“雙碳”目標(biāo)之間存在巨大矛盾[7]。在全球資源短缺的當(dāng)下，實(shí)現(xiàn)最低能耗保證人體自身熱濕舒適性，成為亟需解決的問題。此外，由空調(diào)等設(shè)備對(duì)室內(nèi)溫濕度的統(tǒng)一調(diào)控會(huì)由于個(gè)體差異難以滿足每個(gè)人的需求。在相同環(huán)境下，不同人對(duì)溫濕度的感覺存在差異[8]。在日常生活中，服裝同樣起到了調(diào)節(jié)體溫的作用，人們通常會(huì)依據(jù)外界溫度的變化改變服裝厚薄來維持正常體溫。然而傳統(tǒng)服裝也具有諸多缺點(diǎn)，如純棉衣物親水性較好，在夏季能較快吸收人體產(chǎn)生的汗液；但其被浸濕后，透氣性會(huì)受到極大影響，使穿著舒適性變差[9],因此，迫切需要開發(fā)一種適應(yīng)個(gè)人喜好、可調(diào)控人體熱量和濕度的智能織物。

在近期研究中，各種主動(dòng)、被動(dòng)冷卻或加熱材料如光子晶體、超材料、吸濕性水凝膠等可通過吸收或反射紅外線、提高水分蒸發(fā)效率等方法實(shí)現(xiàn)對(duì)人體溫濕度的智能調(diào)節(jié)[6,10]。研究人員經(jīng)過探索，制備了功能性紡織材料以提高織物對(duì)人體的熱濕調(diào)節(jié)效果，如高紅外線吸收率的聚乙烯(PE)織物[11-12]、高導(dǎo)熱的氮化硼(BN)/聚乙烯醇(PVA)復(fù)合纖維[13]、聚四氟乙烯(PTFE)涂層氧化鈦-聚乳酸(TiO2-PLA)機(jī)織紡織品[14]。然而，與高性能材料復(fù)合后織物的力學(xué)性能降低、涂層穩(wěn)定性差、穿著舒適性差等諸多問題有待解決。此外，通過對(duì)纖維、織物組織結(jié)構(gòu)的調(diào)控，也可構(gòu)筑智能保暖、制冷、熱濕調(diào)節(jié)織物，但現(xiàn)階段研究仍存在材料成本過高、技術(shù)過于復(fù)雜、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)困難等挑戰(zhàn)。基于此，環(huán)境友好、效果優(yōu)異、可大規(guī)模生產(chǎn)的調(diào)節(jié)人體熱濕舒適性的智能織物亟需開發(fā)。

本文綜述了熱濕舒適性智能織物的發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了現(xiàn)階段熱濕舒適性智能織物的制備方法及原理，針對(duì)現(xiàn)階段面臨的困難和挑戰(zhàn)，展望了熱濕舒適性智能織物的發(fā)展方向和前景。

1 人體熱濕調(diào)節(jié)智能織物

織物的熱濕舒適性是服裝穿著舒適性中最基本、最核心的部分[9]。熱濕舒適性智能織物要求織物在環(huán)境溫濕度變化時(shí)可通過自身的結(jié)構(gòu)、性能及時(shí)調(diào)控人體的溫度和濕度，保持人體舒適度。

人體熱量控制主要靠體內(nèi)傳熱和體外傳熱2種，包括：由皮膚表面和環(huán)境溫濕度存在差異時(shí)形成的傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射傳熱；皮膚表面汗液或水分蒸發(fā)、擴(kuò)散造成的熱量改變；呼吸產(chǎn)生的散熱[15-17]。皮膚表面的汗液蒸發(fā)被認(rèn)為是高效的冷卻方式，蒸發(fā)1 g水可產(chǎn)生約2.43 kJ的冷卻功率[18]。通過控制人體的熱傳導(dǎo)、輻射、對(duì)流以及汗液的蒸發(fā)，可達(dá)到調(diào)控人體熱濕舒適性的目的。人體在織物包覆下與環(huán)境的傳熱示意圖如圖1[6]所示，在不同傳熱條件下，可通過調(diào)節(jié)纖維及織物的性能調(diào)控人體熱濕舒適性[6]。隨著熱濕舒適性智能織物研究的深入，通過添加或涂層調(diào)節(jié)紅外線輻射[19-20]、熱傳導(dǎo)[21-22]的材料，或通過控制纖維自身結(jié)構(gòu)[23]、織物組織結(jié)構(gòu)[24]，已研制出許多智能溫控、濕控紡織品。

圖1 人體、織物與環(huán)境之間的傳熱方式示意圖

2 熱濕舒適性智能織物的材料

由于人體主要熱濕變化途徑是熱輻射、熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流以及水分蒸發(fā)，因此通過對(duì)織物的調(diào)節(jié)只改變其中任意一種方式造成的熱濕傳導(dǎo)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)人體熱濕舒適性的控制[17]。近年來，各種高性能材料的研發(fā)和制備推進(jìn)了人體熱濕舒適性調(diào)節(jié)織物的發(fā)展。利用不同高性能材料如近紅外線反射材料[25-26]、高導(dǎo)熱材料[27-28]、高紅外線吸收或透過材料[20-23]，織物可達(dá)到明顯的冷卻或保暖的效果。通過加入高性能材料制備熱濕舒適性智能織物被認(rèn)為是一種新興方式，可有效提高人體舒適感以及減輕能耗負(fù)荷。

2.1 高紅外線反射材料

自然界中的紅外線，尤其是太陽光中的近紅外線是人體熱量的主要來源。當(dāng)太陽光中的紅外線無法穿過織物進(jìn)入人體時(shí)，可有效降低熱量。在自然界中，許多動(dòng)植物也利用反射紅外線達(dá)到降溫效果。例如：覆蓋在楊樹葉背面的反光白色纖維，對(duì)太陽光的反射達(dá)到55%，可有效保護(hù)植物避免受太陽直曬而枯萎[29]；撒哈拉銀蟻的銀色毛發(fā)可反射高達(dá)67%的太陽光中的近紅外線，避免自身被太陽曬傷[30]。由此可見，阻擋太陽光中的紅外線透過織物可有效達(dá)到制冷效果。受自然界中動(dòng)植物的啟發(fā)，利用高紅外線反射材料，可成功構(gòu)筑智能調(diào)溫織物。通過這一概念，將具有紅外線反射作用的材料如過渡金屬(Ag、Ti和Al等)、無機(jī)或有機(jī)化合物(TiO2、摻銻氧化錫和偶氮顏料等)和天然化合物(葉綠素等)用于冷卻涂層涂覆在織物上，可有效反射來自外界的紅外線，減少由紅外線帶來的熱量[31-35]。

以此方法制備智能調(diào)溫織物多以涂層的方式涂覆于織物表面，而涂層織物耐洗性能通常較差。雖然通過黏結(jié)劑、織物表面的預(yù)處理及對(duì)涂層材料的改性可明顯改善織物的耐洗性能，但仍難以從根本上解決問題。同時(shí)，過多的黏結(jié)劑會(huì)降低織物的透氣性，從而使穿著舒適性變差，因此，對(duì)利用紅外線反射材料制備熱濕舒適性智能織物仍有待進(jìn)一步探究。

2.2 高導(dǎo)熱材料

通過改變織物的熱傳導(dǎo)性能同樣能實(shí)現(xiàn)對(duì)人體的熱濕調(diào)控?？椢锏臒醾鲗?dǎo)性能受材料自身的導(dǎo)熱系數(shù)影響較大，大多數(shù)傳統(tǒng)紡織材料的導(dǎo)熱系數(shù)都較低，如棉、羊毛、聚酯纖維和錦綸的導(dǎo)熱系數(shù)分別只有0.07、0.05、0.25和0.14 W/(m·K)[36-37]。研究發(fā)現(xiàn)，通過向織物中添加碳納米管、氮化硼(BN)等高導(dǎo)熱材料可有效提高織物的散熱，快速將人體熱量導(dǎo)出，達(dá)到人體降溫[6]。Abbas等[28]通過在棉纖維中添加多壁碳納米管，使織物具有快速冷卻的效果。當(dāng)添加多壁碳納米管的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到11.1%時(shí)，復(fù)合纖維的熱導(dǎo)率可提高78%。在50 ℃條件下對(duì)純棉纖維和棉/碳納米管復(fù)合纖維進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)，純棉纖維在5 s內(nèi)的溫度達(dá)到了45.2 ℃，而分別添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.1%、50%多壁碳納米管的棉織物其溫度降低2、3.9 ℃，達(dá)到43.2、41.3 ℃。Gao等[13]利用氮化硼納米片(BNNSs)和聚乙烯醇(PVA)制備復(fù)合纖維，如圖2[13]所示，由于氮化硼優(yōu)異的導(dǎo)熱性和牽伸過程中BNNSs的定向排列使制備的復(fù)合纖維織物具有較高的熱導(dǎo)率，能快速導(dǎo)出人體熱量。利用紅外成像相機(jī)對(duì)相同條件下BN/PVA復(fù)合纖維織物和棉織物的熱成像進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，BN/PVA復(fù)合纖維織物和棉織物的最高溫度分別達(dá)到39.8、55.9 ℃[13]，可見BN/PVA復(fù)合纖維織物的散熱效果明顯優(yōu)于純棉織物。

圖2 氮化硼/聚乙烯醇復(fù)合纖維作為制冷織物的結(jié)構(gòu)與散熱示意圖

綜上，通過使用高導(dǎo)熱材料可實(shí)現(xiàn)將人體熱量快速導(dǎo)出到外界環(huán)境中，起到降溫作用。但在纖維或織物中添加高導(dǎo)熱材料會(huì)直接影響織物的透氣性和手感；同時(shí)，復(fù)合纖維的生產(chǎn)工藝復(fù)雜同樣成為高導(dǎo)熱織物發(fā)展的重大挑戰(zhàn)。

2.3 高紅外線透過材料

除來自外界的紅外線熱源，人體自身也會(huì)產(chǎn)生紅外線輻射，成為穩(wěn)定的熱源?？椢锟赏ㄟ^促進(jìn)或抑制人體輻射的紅外線導(dǎo)出，起到制冷或保暖的效果。當(dāng)織物擁有高紅外線透過率時(shí)，紅外線可穿過織物將熱量傳遞到環(huán)境中，起到降溫效果；反之，當(dāng)織物的紅外線透過率低時(shí)，人體產(chǎn)生的紅外線會(huì)被織物有效阻擋難以散失，達(dá)到保暖的效果?；诖?，通過調(diào)節(jié)織物的紅外線透過率，可實(shí)現(xiàn)織物的制冷或保暖功能。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，聚乙烯(PE)纖維具有高紅外線透過率，平均值高達(dá)87%，因此，利用PE纖維開發(fā)的紡織品可促使人體散熱，達(dá)到冷卻的效果。Hsu等[19]通過實(shí)驗(yàn)證明了納米孔徑PE膜對(duì)中紅外線和人體輻射的紅外線都具有高透過的效果，用納米孔徑PE膜制備的織物相比常規(guī)織物，在相同情況下使人體降溫2.7 ℃左右。鑒于PE纖維優(yōu)異的紅外線透過性能，Yang等[38]制備了錦綸6/銀/納米PE復(fù)合膜，如圖3所示。將復(fù)合膜附著在口罩上佩戴時(shí)，可觀察到復(fù)合膜口罩溫度相較普通商業(yè)口罩有明顯降低。除薄膜材料的制備，Tong等[39]基于PET/PE材料設(shè)計(jì)了一種高紅外線透過織物，對(duì)遠(yuǎn)紅外線透過率高達(dá)97.2%，尤其對(duì)中、遠(yuǎn)紅外線幾乎透明，可應(yīng)用于熱管理織物。然而，在現(xiàn)階段研究中，除PE纖維外，鮮有文獻(xiàn)報(bào)道可直接用于柔性高紅外線透過織物的材料，因此，單純靠材料自身不同的紅外線透過性能決定織物的智能熱濕調(diào)節(jié)局限性大，需要開發(fā)不同紅外線透過率的新型紡織材料彌補(bǔ)技術(shù)空白。此外，在利用高紅外線透過材料制備復(fù)合材料時(shí)，仍需要考慮復(fù)合織物的調(diào)溫穩(wěn)定性、力學(xué)性能和透氣性等性能，這也成為制約其發(fā)展以及大規(guī)模應(yīng)用的重要因素。

圖3 PE/PA6復(fù)合織物的制備及應(yīng)用

3 熱濕舒適性智能織物的結(jié)構(gòu)

除通過材料的功能性制備熱濕調(diào)節(jié)織物，研究人員試圖通過對(duì)纖維或織物結(jié)構(gòu)的控制，達(dá)到調(diào)節(jié)人體熱濕舒適性的目的?；诖?，吸濕快干、智能熱濕調(diào)節(jié)織物受到人們的廣泛關(guān)注[21]。

3.1 異形結(jié)構(gòu)纖維

纖維自身結(jié)構(gòu)會(huì)影響其導(dǎo)熱、吸濕等各項(xiàng)性能，如由相同材料制備的常規(guī)、中空、多孔纖維具有不同的熱導(dǎo)率和親水性，因此，通過對(duì)纖維結(jié)構(gòu)的控制可調(diào)控纖維性能，改變織物的熱導(dǎo)率和親水性等，從而達(dá)到調(diào)節(jié)人體熱濕舒適性的目的。Cui等[21]根據(jù)北極熊毛發(fā)的保溫性能開發(fā)了一種仿生纖維，利用凍干技術(shù)制備了一種多微孔纖維，通過冷凍干燥纖維中存在大量的孔隙結(jié)構(gòu)，調(diào)控不同冷凍溫度、定向與非定向手段可調(diào)節(jié)纖維孔徑(如圖4(a)[2]所示)，可限制空氣的流動(dòng)，由于空氣的熱導(dǎo)率比纖維小，仿生纖維導(dǎo)熱性差而具有保暖性能。將仿生多孔纖維織成織物后穿于兔子身上，通過紅外成像儀可明顯觀察到仿生織物具有良好的熱隱身性能，可以在不同外界環(huán)境中(10、15和40 ℃)很好地隱藏兔子(如圖4(b)所示)。這是由于兔子體內(nèi)的熱量被仿生多孔纖維阻擋，無法通過織物傳遞，因此無法被紅外成像儀探測(cè)。綜上，通過制備異形結(jié)構(gòu)纖維來調(diào)控?zé)釋?dǎo)率，可實(shí)現(xiàn)通過改變織物保暖性能來調(diào)節(jié)人體熱濕舒適性的目的。

圖4 仿生多孔纖維的微觀形貌圖及保暖織物的應(yīng)用

3.2 非對(duì)稱結(jié)構(gòu)織物

除人體熱舒適性外，人們對(duì)濕舒適性的要求也日益增高，如劇烈運(yùn)動(dòng)后織物會(huì)被大量汗液浸濕導(dǎo)致透氣性變差[9]，影響穿著舒適性，因此，透濕性也是影響織物舒適性的重要因素。織物透濕過程中也伴隨著熱量的變化，如汗液蒸發(fā)時(shí)會(huì)帶走部分體內(nèi)熱量，使人體體溫發(fā)生變化。

自然界中一些動(dòng)植物，如蝴蝶翅膀、蜘蛛絲和仙人掌刺，均具有不對(duì)稱的潤濕梯度和Janus潤濕性，可將水分從疏水層導(dǎo)出并防止反向滲透[4]。基于此，研究者設(shè)計(jì)了具有非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的吸濕快干織物。這種織物親膚一側(cè)由孔隙較大的超疏水纖維構(gòu)成，另一側(cè)由孔隙較小的超親水纖維構(gòu)成。當(dāng)人體出汗后，汗液由疏水一側(cè)向親水一側(cè)滲透，并在親水層蒸發(fā)。通過對(duì)織物兩側(cè)親疏水性、孔隙大小和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)水分的定向傳輸，防止其反向滲透，從而達(dá)到長期保持人體干爽舒適的目的。然而，當(dāng)吸濕快干織物所吸收的水分達(dá)到親水層的極限值后，水分難以由疏水一側(cè)滲透到親水一側(cè)。近年來，研究者通過三維織物技術(shù)對(duì)吸濕快干織物進(jìn)行了改進(jìn)。Fan等[40]用滌綸緯紗層、棉經(jīng)紗層和粘膠緯紗層構(gòu)筑了一種三維正交機(jī)織物(如圖5(a)所示)。通過滌綸、棉和粘膠3種纖維親水性的差異，結(jié)合等離子體技術(shù)，得到了性能更加優(yōu)異的單向?qū)窨椢?。同時(shí)，用具有高親水性的CoolMax異形纖維在Z軸將纖維層固定，得到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的三維正交織物，實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的單向?qū)裥阅?如圖5(b)所示)。

圖5 三維結(jié)構(gòu)吸濕快干織物結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 智能孔徑調(diào)節(jié)織物

近期，研究人員發(fā)現(xiàn)，在外界溫濕度不同的條件下，改變織物的孔隙結(jié)構(gòu)，同樣可調(diào)節(jié)人體熱濕舒適性。

Iqbal等[41]在對(duì)羊毛針織物研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，外界濕度不同時(shí)，針織物線圈結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化從而影響人體體溫。如圖6(a)所示，羊毛織物結(jié)構(gòu)不同時(shí)，織物在外界濕度變化下會(huì)發(fā)生不同的孔徑結(jié)構(gòu)變化，從而引起人體散熱的改變。根據(jù)不同變化，緯平針織物可制備制冷織物，雙面針織物可制備保暖織物。這是由于隨著織物吸濕率變大，緯平針織物孔隙變大，雙面針織物孔隙變小，如圖6(b)所示。

圖6 羊毛織物隨外界濕度變化時(shí)織物孔隙結(jié)構(gòu)的變化

除纖維自身響應(yīng)不同熱濕刺激外，Wang等[24]通過織物正反兩面涂覆2種親疏水性不同的聚合物，制備了快速響應(yīng)環(huán)境溫濕度的智能織物。當(dāng)外界溫度較高時(shí)，織物表現(xiàn)為外層親水、內(nèi)層疏水，能有效地將皮膚表面的多余水分導(dǎo)出。當(dāng)外界溫度變低時(shí)，織物親疏水性改變，外層疏水、內(nèi)層親水，從而保存人體皮膚表面的水分和熱量。同時(shí)織物的孔隙結(jié)構(gòu)也會(huì)隨著外界溫度的變化而變化，織物的孔隙在高溫時(shí)打開而在低溫時(shí)關(guān)閉，因此，在溫度較高時(shí)，織物表現(xiàn)出優(yōu)異的散熱性能，而在低溫時(shí)轉(zhuǎn)換成優(yōu)異的保暖性能，可有效地根據(jù)外界環(huán)境溫濕度變化調(diào)節(jié)人體的溫濕度。

此外，Zhang等[23]利用纖維結(jié)構(gòu)隨外界環(huán)境變化時(shí)的改變，制備了智能熱濕調(diào)節(jié)織物。在紗線外層涂覆一層碳納米管，當(dāng)外界環(huán)境溫度較高時(shí)，紗線結(jié)合緊密，單根纖維間距離變小，纖維表面的碳納米管出現(xiàn)共振電磁耦合，改變織物的紅外線發(fā)射率，并匹配人體的熱輻射，促進(jìn)人體的輻射冷卻，從而有效地增強(qiáng)熱交換，達(dá)到散熱效果。當(dāng)外界環(huán)境溫度較低時(shí)，紗線結(jié)構(gòu)松散，隨著單根纖維間距的變化，纖維外層碳納米管的間距改變，輻射冷卻作用減弱，有助于織物保暖。同時(shí)，在外界溫度變化時(shí)，織物的孔徑隨著纖維間距的變化而變化，有助于織物的熱交換，起到了協(xié)同冷卻和保溫的作用。

4 結(jié)束語

近年來，隨著人們生活質(zhì)量的提高，對(duì)環(huán)境友好、可持續(xù)發(fā)展的大力倡導(dǎo)，熱濕舒適性智能織物的快速研發(fā)勢(shì)在必行?，F(xiàn)階段對(duì)熱濕舒適性智能織物的研究主要是通過在纖維或織物中添加或涂層功能性材料，達(dá)到改變織物熱傳導(dǎo)、輻射、對(duì)流和水分蒸發(fā)的效果，從而改變織物的散熱，實(shí)現(xiàn)人體熱濕舒適，但涂層穩(wěn)定性、添加材料的相容性會(huì)直接影響織物的穿著穩(wěn)定性和舒適性，均為亟需解決的重要問題。同時(shí)，通過對(duì)纖維或織物的結(jié)構(gòu)調(diào)控也可實(shí)現(xiàn)對(duì)織物的冷卻和保暖調(diào)控，但現(xiàn)階段織物結(jié)構(gòu)、材料的局限性導(dǎo)致這種功能性纖維無法大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)，且在現(xiàn)階段的研究中仍然存在許多挑戰(zhàn)，如熱濕舒適性調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性及織物的力學(xué)性能與透氣性能等較差。

對(duì)此，若能進(jìn)一步開發(fā)新型纖維，通過改變纖維結(jié)構(gòu)賦予纖維熱濕響應(yīng)的功能，可促進(jìn)熱濕舒適性智能織物的發(fā)展。例如，制備功能異形纖維以及可智能驅(qū)動(dòng)的新型纖維，通過改變纖維各項(xiàng)性能從而實(shí)現(xiàn)織物對(duì)人體熱濕舒適性的控制。此外，纖維材料的發(fā)展為織物的多樣性提供了更大的可能。同時(shí)，開發(fā)新型纖維更容易滿足大規(guī)模生產(chǎn)，極大地推動(dòng)熱濕舒適性智能織物的制備和實(shí)際應(yīng)用。